上海市大气细颗粒物中元素分析及来源解析

摘要

上海市作为中国经济高速发展的大都市，经济发展的同时，也带来了严重的大气污染，大气颗粒物尤其是PM2.5不仅破坏了大气环境，也影响着人们正常的生产生活和健康水平，因此大气颗粒物污染研究越来越受到重视。研究大气颗粒物中元素的浓度水平、分布特征及来源，对于认识区域和城市大气污染状况和控制颗粒物的污染具有重要意义。　　为了进一步了解上海市大气颗粒物中元素的浓度水平及其来源，本研究于2015年12月至2016年5月期间，在上海师范大学徐汇校区旅游学院楼顶进行了为期6个月的大气颗粒物样品采集，共采集62份PM2.5样品和6组（每组9个）分级颗粒物样品，所有样品均为滤膜样品。将采集的样品预处理后利用电感耦合等离子体质谱法（ICP-MS）分析了PM2.5和分级样品中的19种元素（Ni、Cr、Cu、As、V、Mn、Cd、Sb、Pb、Al、Ti、Fe、Zn、Se、Ba、P、Br、Si、I），并对其污染特征、季节变化、元素占比、污染来源等进行了研究，得到了以下研究结论：　　（1）元素的平均浓度变化范围在0.45-189.60ng/m3之间，均值为29.84±24.12ng/m3，其中主要来自地壳源的Si、Fe、Al、P等元素表现出较高的浓度水平；与国内外其他城市相比，主要来自人为源的As、Ba、Cd、Cr、Cu、Mn、Ni、Pb、Sb等元素明显高于国外城市，但是比国内城市低；上海市大气颗粒物中元素浓度全年变化水平表现为Zn、Si、Fe等元素的浓度较高；PM2.5的季节性变化比较明显，冬季浓度显著升高，其次是春季、夏季、秋季。　　（2）分级颗粒物中大部分元素粒径分布主要集中在5级（1.1-2.1μm）范围内，其中重金属元素（Cd、Cu、Pb、Ni、V、Cr）表现出相似的粒径分布规律，大部分分布在0.7-2.1μm的细颗粒物粒径段；分级颗粒物中元素浓度季节变化水平表现为冬季元素总浓度（1325.78ng/m3）最高，秋季元素总浓度（536.51ng/m3）最低，元素总浓度同样为细颗粒（0-2.1μm）部分要高于粗颗粒（2.1-9.0μm）部分。PM1.0中元素浓度变化范围为0.20-171.57 ng/m3；PM1.0与PM2.5中的元素比值范围为0.13-1.58，平均值为0.62，说明采样期间大气颗粒物中的元素在PM1.0中占有较大的比重，但是Cd、Al、Pb、Ba、Cu、Mn、Ni、V等金属元素的比值均在0.5以下，说明采样期间上海市大气颗粒物中的大部分金属元素主要附着在PM2.5上。　　（3）对比上海市雾霾日和非雾霾日PM2.5中元素浓度发现，雾霾日元素浓度要远远高于非雾霾日元素浓度，雾霾日元素总浓度（855.10ng/m3）是非雾霾日元素总浓度（378.07ng/m3）的2.26倍，尤其是Al、As、Cd、Cr、Pb和Ti等元素，雾霾日的浓度是非雾霾日浓度的2.5倍以上，而这些元素大部分为污染元素。　　（4）PM2.5中元素浓度与上海市空气质量指数（AQI）有较高的相关性，相关系数为0.81，说明上海市的空气污染物中PM2.5是影响空气质量的主要污染物；大气常规污染物对上海市PM2.5元素总浓度，地壳元素和污染元素也有较大的影响，尤其是污染元素浓度，从相关系数看，除O3外，PM10、NO2、SO2、CO、AQI与PM2.5元素总浓度、地壳元素浓度、污染元素浓度的相关性均大于0.7，呈现高度相关性。　　（5）富集因子结果显示，上海市PM2.5中Al、Si、Ti元素富集因子均小于1，基本没有富集，主要受到地壳源的影响；Cr、Ba、Mn、Ni、P和V元素的富集因子在14.08-80.45之间，表明除地壳源外，这些元素还受到人为污染源的影响；As、Br、Cd、Cu、I、Pb、Sb、Se和Zn元素的富集因子在183.82-133063.92之间，相对于地壳明显富集，主要受到化石燃料燃烧、工业源等人为污染源的影响。综合相关性分析和主成分分析结果表明，上海市PM2.5中的Al、Si、Ti、P等元素主要来源于地面扬尘、土壤飞灰等地壳源；Zn、Cu、Cr、Cd、Se和Pb等元素主要来源于钢铁冶金等工业污染源；Ba和Mn元素受到人为源的影响同时也一定程度上受到地壳源的影响；Ni和V元素主要来自石油燃烧源。

目录

第1章 绪论

1.1 研究背景

1.2 大气颗粒物的概述

1.3 大气细颗粒物研究进展

1.4 课题研究意义和研究内容

第2章 实验材料与方法

2.3 样品采集

2.4 大气颗粒物样品中元素分析

2.5 数据分析

第3章 上海市大气细颗粒物中元素浓度特征研究

3.1 PM2.5浓度变化特征

3.2 PM2.5中元素浓度特征研究

3.3 分级颗粒物中元素浓度变化特征

3.4 霾日和非霾日PM2.5中元素浓度特征

3.5 PM1.0/PM2.5中元素浓度特征

3.6 本章小结

第4章 上海市PM2.5中元素来源解析

4.1 PM2.5中元素相关性分析

4.2 PM2.5中元素浓度与AQI相关性分析

4.3 PM2.5中元素富集因子分析

4.4 上海市PM2.5中元素主成分分析

4.5 本章小结

第5章 结论与展望

5.2 创新点

参考文献

攻读学位期间取得的研究成果

致谢